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半导体

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半导体(semicONductor),是一种材料的的导电能力介于导体和绝缘体之间,并有负的电阻温度系数的材料。这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度,电阻率下降。如硅、锗、硒等,半导体之所以得到广泛应用,是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显着。

半导体的简介

  • 导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带(band)宽度不同。绝缘体的能带比半导体宽,意即绝缘体价带中的载子必须获得比在半导体中更高的能量才能跳过能带,进入传导带中。室温下的半导体导电性有如绝缘体,只有极少数的载子具有足够的能量进入传导带。因此,对於一个在相同电场下的本质半导体(intrinsic semiconductor)和绝缘体会有类似的电特性,不过半导体的能带宽度小於绝缘体也意味着半导体的导电性更容易受到控制而改变。

    纯质半导体的电气特性可以藉由植入杂质的过程而永久改变,这个过程通常称为「掺杂」(doping)。依照掺杂所使用的杂质不同,掺杂後的半导体原子周围可能会多出一个电子或一个电洞,而让的导电特性变得与原本不同。如果掺杂进入半导体的杂质浓度够高,半导体也可能会表现出如同金属导体般的电性。在掺杂了不同极性杂质的半导体接面处会有一个内建电场(built-in electric field),内建电场和许多半导体元件的操作原理息息相关。

    除了藉由掺杂的过程永久改变电性外,半导体亦可因为施加於其上的电场改变而动态地变化。半导体材料也因为这样的特性,很适合用来作为电路元件,例如电晶体。电晶体属於主动式的(有源)半导体元件(active semiconductor devices),当主动元件和被动式的(无源)半导体元件(passive semiconductor devices)如电阻器(resistor)或是电容器(capacitor)组合起来时,可以用来设计各式各样的集成电路产品,例如微处理器。

    当电子从传导带掉回价带时,减少的能量可能会以光的形式释放出来。这种过程是制造发光二极体(light-emitting diode, LED)以及半导体激光(semiconductor laser)的基础,在商业应用上都有举足轻重的地位。而相反地,半导体也可以吸收光子,透过光电效应而激发出在价带的电子,产生电讯号。这即是光探测器(photodetector)的来源,在光纤通讯(fiber-optic communications)或是太阳能电池(solar cell)的领域是最重要的元件。

    半导体有可能是单一元素组成,例如矽。也可以是两种或是多种元素的化合物(compound),常见的化合物半导体有砷化镓(gallium arsenide, GaAs)或是磷化铝铟镓(aluminium gallium indium phosphide, AlGaInP)等。合金(alloy)也是半导体材料的来源之一,如矽锗(silicon-germanium, SiGe)或是砷化镓铝(aluminium gallium arsenide, AlGaAs)等。

半导体的相关术语

  • 在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。

    在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化。

    晶格 :晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。

    共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,构成共价键。

    自由电子的形成:在常温下,少数的价电子由于热运动获得足够的能量,挣脱共价键的束缚变成为自由电子 。

    空穴 :价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。

    电子电流:在外加电场的作用下,自由电子产生定向移动,形成电子电流。

    空穴电流:价电子按一定的方向依次填补空穴(即空穴也产生定向移动),形成空穴电流。

    本征半导体的电流:电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同,它们运动方向相反。

    载流子 :运载电荷的粒子称为载流子。

    导体电的特点:导体导电只有一种载流子,即自由电子导电。

    本征半导体电的特点:本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电。

    本征激发 :半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。

    复合 :自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。

    动态平衡 :在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,达到动态平衡。

    载流子的浓度与温度的关系:温度一定,本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时,热运动加剧,挣脱共价键束缚的自由电子增多,空穴也随之增多(即载流子的浓度升高),导电性能增强;当温度降低,则载流子的浓度降低,导电性能变差。

    结论:本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性,可制作热敏和光敏器件,又造成半导体器件 温度稳定性差的原因。

    杂质半导体 :通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,可得到杂质半导体。

    N型半导体 :在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N型半导体。

    多数载流子 :N型半导体中,自由电子的浓度大于空穴的浓度,称为多数载流子,简称多子。

    少数载流子:N型半导体中,空穴为少数载流子,简称少子。

    施子原子:杂质原子可以提供电子,称施子原子。

    N型半导体的导电特性:它是靠自由电子导电,掺入的杂质越多,多子(自由电子)的浓度就越高,导电性能也就越强。

    P型半导体:在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,形成P型半导体。

    多子 :P型半导体中,多子为空穴。

    少子 :P型半导体中,少子为电子。

    受主 原子:杂质原子中的空位吸收电子,称受主原子。

半导体的能带结构

  • 半导体中的电子所具有的能量被限制在基态(ground state)与自由电子(free electron)之间的几个「能带」(energy band)里,也就是电子所具备的能量必定为不连续的能阶。当电子在基态时,相当於此电子被束缚在原子核附近;而相反地,如果电子具备了自由电子所需要的能量,那麽就能完全离开此材料。每个能带都有数个相对应的量子态(quantum state),而这些量子态中,能量较低的都已经被电子所填满。这些已经被电子填满的量子态中,能量最高的就被称为价带(valence band)。半导体和绝缘体在正常情况下,几乎所有电子都在价带或是其下的量子态里,因此没有自由电子可供导电。

    半导体和绝缘体之间的差异在於两者之间能隙(energy bandgap)宽度不同,亦即电子欲从价带跳入传导带(conduction band)时所必须获得的最低能量不一样。通常能隙宽度小於3电子伏特(eV)者为半导体,以上为绝缘体。

    在绝对零度时,固体材料中的所有电子都在价带中,而传导带为完全空置。当温度开始上升,高於绝对零度时,有些电子可能会获得能量而进入传导带中。传导带是所有能够让电子在获得外加电场的能量後,移动穿过晶体、形成电流的最低能带,所以传导带的位置就紧邻价带之上,而传导带和价带之间的差距即是能隙。通常对半导体而言,能隙的大小约为1电子伏特上下。在传导带中,和电流行成相关的电子通常称为自由电子。又根据包利不相容原理(Pauli exclusion principle),同一个量子态内不能有两个电子,已经被填满的能带无法导电,因为该能带内的所有量子态都已经被电子占据,所以半导体材料的传导带不会被电子占满,让电子可以在其中的量子态间移动。

    在价带内的电子获得能量後便可跃升到传导带,而这便会在价带内留下一个空缺,也就是所谓的「电洞」(electron holes)。传导带中的电子和价带中的电洞都对电流传递有贡献,电洞本身不会移动,但是其它电子可以移动到这个电洞上面,等效於电洞本身往反方向移动。相对於带负电的电子,电洞的电性为正电。

    由化学键结的观点来看,获得足够能量、进入传导带的电子也等於有足够能量可以打破电子与固体原子间的共价键(covalent bonds),而变成自由电子,进而对电流传导做出贡献。

    半导体和导体之间有个显着的不同是半导体的电流传导同时来自电流与电洞的贡献,而导体的费米能阶(Fermi level)则已经在传导带内,因此电子不需要很大的能量即可找到空缺的量子态供其跳跃、造成电流传导。

    固体材料内的电子能量分布遵循费米-狄拉克分布(Fermi-Dirac Distribution)。在绝对零度时,材料内电子的最高能量即为费米能阶,当温度高於绝对零度时,费米能阶为所有能阶中,被电子占据机率等於0.5的能阶。半导体材料内电子能量分布为温度的函数也使其导电特性受到温度很大的影响,当温度很低时,可以跳到传导带的电子较少,因此导电性也会变得较差。

半导体材料的特性与参数

  • 半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体,常温下其电阻率很高,是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后,由于杂质原子提供导电载流子,使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体,靠价带空穴导电的称P型半导体。不同类型半导体间接触(构成PN结)或半导体与金属接触时,因电子(或空穴)浓度差而产生扩散,在接触处形成位垒,因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性,可以制成具有不同功能的半导体器件,如二极管、三极管、晶闸管等。此外,半导体材料的导电性对外界条件(如热、光、电、磁等因素)的变化非常敏感,据此可以制造各种敏感元件,用于信息转换。

    半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定,反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用(如光或电场)下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度,对于非晶态半导体材料,则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别 ,更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下,其特性的量值差别。

半导体的分类

  • 常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等,以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族(如砷化镓、磷化镓、磷化铟等)、Ⅱ-Ⅵ族(如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等)、 Ⅳ-Ⅵ族(如硫化铅、硒化铅等) 、Ⅳ-Ⅳ族(如碳化硅)化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体,如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等,还处于研究阶段。此外,还有非晶态和液态半导体材料,这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。

半导体在照明中的地位

  • 半导体照明的巨大诱惑已经让不少国家对未来照明领域充满乐观,世界各国政府纷纷付诸实践。 美国能源部门预测,到2010年,美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体照明替代,到时每年可节电350亿美元。美国已经启动了国家半导体照明计划,欧盟启动了彩虹计划,日本启动了21世纪光计划。日本政府明确提出,2006年就要用半导体照明大规模替代传统白炽灯。 中国是世界上最大的照明灯具制造国,拥有巨大的照明工业和照明市场。同时,中国又攻克了大功率发光芯片的技术难关,半导体照明的产业意义与价值不可估量。由科技部和十几个地方政府共同实施的国家半导体照明工程项目也已启动。2003年6月,我国成立“国家半导体照明工程领导小组”,以中科院半导体所和物理所、北京大学、清华大学等科研院所为代表,积极介入第三代半导体材料领域的研发,将技术成果进行转化。 自20世纪60年代末由中科院长春物理所研制成功LED(半导体发光二极管)始,至2004年,我国已有LED各类企业约3500余家,从业人员50余万人,年产相关器件达400亿只以上,市场规模已超过人民币300亿元。目前已经初步形成从外延片生产、芯片制备、器件封装集成应用等比较完整的产业链,全国从事半导体发光二极管器件及照明系统生产规模以上的企业有400多家。中国在显示屏、交通信号等领域已有大量的中低档LED产品在市场销售,并形成一定的应用开发技术和自主知识产权。 在政策上,今年5月召开的中国绿色照明国际会议暨第六届国际高效照明会议明确提出,“十一五”期间,国家发展和改革委员会将重点在公用设施、宾馆、商厦、写字楼、体育场馆、居民住宅中推广高效节电照明系统。国家还将严格照明产品市场准入,达不到强制性能效标准的产品不得生产销售,达不到建筑照明节能标准的建筑不得开工建设。国家将建立激励机制,加快高效照明产品推广应用,研究提出鼓励高效照明产品生产、使用的财政税收政策。科学家们预测,尽管半导体照明取代节能灯,走进中国千家万户可能还需要几年甚至更长时间,大到景观照明、户外大屏幕,小到玩具、手电筒、圣诞灯,人们有理由相信,LED将会照亮每个人的居室,从而改变我们的生活。

半导体材料的制备

  • 不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求,包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

    所有的半导体材料都需要对原料进行提纯,要求的纯度在6个“9”以上 ,最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类,一类是不改变材料的化学组成进行提纯,称为物理提纯;另一类是把元素先变成化合物进行提纯,再将提纯后的化合物还原成元素,称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等,使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等,使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性,因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。

    绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广,80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的,其中硅单晶的最大直径已达300 毫米。在熔体中通入的直拉法称为磁控拉晶法,用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法,用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触,用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶,而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。

    在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延,其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

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